Пожарная безопасность в системах кабельных сетей

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Общие положения

Современная система кабельных сетей (СКС) построена по звездообразной топологии и поэтому может содержать несколько десятков и даже сотен километров кабеля. Подавляющее большинство этих кабелей укладывается внутри здания в составе горизонтальной подсистемы и подсистемы внутренних магистралей. Для изоляции металлических жил в электрических кабелях, защиты волоконных световодов в оптических и формирования структуры сердечника в обеих конструкциях широко используются полимерные материалы, перечень основных из которых приведен в табл. 60. Воздействие пламени на эти материалы при пожаре может привести к ряду отрицательных факторов, в том числе к:

* дальнейшему распространению пламени вдоль кабельной трассы;

* обильному выделению дыма, затрудняющему эвакуацию персонала и борьбу с огнем;

* выделению токсичных галогенсодержащих газов.

Обеспечение требуемых нормами противопожарных характеристик кабелей достигается использованием в их конструкции специально подобранных материалов. В первую очередь полимерный материал должен быть негорючим. Количественной мерой горючести является так называемый кислородный, или OI-коэффициент (от англ. Oxygen-Index), иногда называемый кислородным индексом. Под этой величиной понимается минимальное процентное содержание кислорода в азотно-кислородной смеси, при котором начинается самостоятельное горение материала после его возгорания без подвода внешней теплоты. Материалы с OI-коэффициентом свыше 32 яв-

Таблица 1 - Основные виды полимерных материалов кабелей СКС

ляются негорючими, при OI-коэффициенте менее 20 материал считается горючим. Полиэтилен, в массовых масштабах применяемый в кабелях различного назначения, является типичным горючим материалом.

Сложность решения задачи выбора подходящего материала обусловлена тем обстоятельством, что известные негорючие материалы, характеристики которых позволяют применять их в кабельной технике, обязательно содержат в своем составе галогены (хлор или фтор). Эти химические вещества под воздействием высокой температуры образуют агрессивные летучие кислоты с удушающим действием на людей и животных. И, наоборот, материалы без галогенов отличаются пониженной стойкостью к воздействию высокой температуры. Объясняется данный факт высокой химической активностью галогенов, которые за счет этого очень прочно связаны с другими атомами материала оболочки и играют роль своеобразного цемента, то есть препятствуют разложению полимера на отдельные составляющие при пожаре. Промежуточное положение между галогенсодер-жащими и безгалогенными материалами занимают так называемые компаунды. Так, например, огнестойкость полиэтилена может быть существенно улучшена добавлением к нему бромсодержащих присадок.

Серьезное внимание вопросам обеспечения пожарной безопасности кабелей СКС начали уделять только в конце 80-х -- начале 90-х годов. К настоящему времени разработан ряд международных стандартов. Кроме того, многие страны имеют свою национальную нормативную базу по пожарной безопасности кабельных систем. Считается, однако, что имеющиеся нормативные документы регламентируют не все вопросы пожарной безопасности СКС и исследования в этом направлении будут продолжены. На момент написания данной работы авторам был известен только один российский стандарт по пожарной безопасности кабельных систем. Поэтому излагаемый далее материал базируется в основном на требованиях зарубежных нормативных документов.

2. Сопротивляемость горению и распространению пламени

2.1 Состояние стандартизации

кабельная сеть противопожарный горение

При возникновении очага загорания протяженные кабельные системы, охватывающие все здание, потенциально могут сами поддерживать процесс горения и являться причиной распространения по ним пламени. Поэтому сопротивляемость горению и распространению пламени регламентируется рядом стандартов:

* В СТА и Канаде определениями NEC, изложенными в статьях 725, 760, 770, 800 и 820. Определения NEC (National Electrical Code) разработаны национальной ассоциацией по пожарной безопасности NFPA (National Fire Protection Association) и пересматриваются каждые 3 года;

* В Европе требованиями IEC 332 Международного электротехнического комитета (International Electrotechnical Committee) и требованиями HD 405 Европейского комитета по стандартизации электротех-ники CENELEC (European Committee for Electrotechnical Standardization).

Мы остановимся в основном только на требованиях NEC. В статьях 725, 760, 770, 800 и 820 (табл. 2) приводятся требования по пожарной безопасности к слаботочным кабельным системам, то есть к таким, которые сами не могут быть причиной возгорания.

Определения NEC предусматривают четыре уровня сертификации слаботочных кабелей по пожарной безопасности. Из них наивысшим считается уровень 1, а самым низким -- уровень 4.

Уровень 1. Plenum-кабели (Plenum Cable). К группе Plenum-кабелей относятся кабели, которые можно без каких-либо ограничений открыто прокладывать в так называемых plenum-полостях. Под plenum-полостью понимается такое пространство между подвесным потолком и этажным перекрытием над ним, в которое возможен приток воздуха, в объемах, необходимых для поддержания процесса горения. Plenum-полостью в некоторых случаях считается также пространство под фальшполом. Основанием для отнесения его к этой категории является наличие в зале других plenum-полостей, внешних трубопроводов и иных аналогичных конструкций, по которым возможен приток воздуха под фальшпол.

Кроме сопротивляемости горению и распространению огня plenum-кабели обязательно проверяются на уровень выделения дыма (тест UL 910).

Маркировка кабелей, прошедших сертификацию на уровень Plenum, дополняется добавлением к соответствующему обозначению из третьей

Таблица 2 - Статьи NEC по слаботочным кабелям

Таблица 3 - UL-тесты для сертификации слаботочных кабелей

колонки табл. 2 индекса Р, например СМР -- телекоммуникационный plenum-кабель. Горизонтальные кабели СКС на практике в подавляющем большинстве случаев прокладываются именно в plenum-полостях.

Уровень 2. Кабель для стояков (Riser Cable). Кабель для стояков, или riser-кабель, можно прокладывать без дополнительной защиты в вертикальных стояках зданий. Наличие сертификата на эту область применения отмечается добавлением к соответствующему обозначению кабеля из третьей колонки табл. 2 индекса R, например CMR -- коммуникационный кабель для стояков.

Уровень 3. Кабель общего применения (General Purpose Cable). Эти кабели можно прокладывать без каких-либо ограничений в любых местах здания, кроме plenum-полостей и вертикальных стояков. Кабель не имеет специальной маркировки.

Уровень 4. Кабель ограниченного применения (Limited Use Cable). Этот кабель имеет определенные ограничения на открытую прокладку, например, допускается его использование только в жилых зданиях, разрешается его прокладка только в трубах из несгораемого материала, или лимитируется его максимальный диаметр и т.д. Кабели, сертифицированные на эту область применения, маркируются добавлением к соответствующему обозначению из третьей колонки табл. 2 индекса X, например СМХ -- коммуникационный кабель ограниченного применения. Волоконно-оптические кабели и кабели для систем противопожарной сигнализации не имеют вариантов конструктивного исполнения для ограниченного применения.

Сертификация кабелей на тот или другой уровень производится по результатам проведения его тестовых испытаний. Определения NEC предусматривают проведение тестирования UL (Underwriters Laboratories)-лабораторией. В табл. 3 приводятся названия UL-тестов для каждого уровня. Кабелю, успешно выдержавшему испытания, выдается соответствующий сертификат.

2.2 Правила противопожарной безопасности при проектировании СКС

Основные правила, которых следует придерживаться при проектировании кабельных систем в соответствии с требованиями NEC, сводятся к следующим положениям:* кабель, не имеющий сертификации ни по одному из четырех уровней, нельзя применять для внутренней прокладки в зданиях, однако до 15 м такого кабеля может быть проложено внутри здания до места его подключения к сертифицированному кабелю внутренней прокладки;

* открытую проводку можно выполнять кабелем с уровнем сертификации не ниже требуемого;

* не-plenum-кабель можно прокладывать в plenum-полостях только в металлической оболочке, например в металлических трубах;

* кабель с сертификатом уровней 3 и 4 можно прокладывать в вертикальных стояках только в несгораемых трубах или в огнеупорных шахтах, оборудованных огнезадерживающими заглушками в перекрытиях. Элементы защиты от воздействия пламени должны иметь сертификат UL, а межэтажные перекрытия должны всегда выполняться из огнеупорных материалов. Огнезадерживающие заглушки изготавливаются путем заполнения пространства между перекрытием и кабелями специальным затвердевающим огнестойким компаундом (см. рис. 1);

Рисунок 1 - Проход межэтажного перекрытия кабелями с сертификатами уровней 3 и 4

* в жилых зданиях телекоммуникационные кабели СМХ и кабели систем дистанционного управления CL2X/CL3X, то есть имеющие сертификат уровня 4 (выдержавшие испытание только тестом VW-1), можно прокладывать как кабели общего применения, если их диаметр не превышает 0,25 дюйма (6,3 мм);

* в жилых зданиях телевизионные кабели CATVX можно прокладывать как кабели общего применения, если их диаметр не превышает 0,375 дюйма (9,5 мм);

* в нежилых зданиях кабели СМХ, CL2X/CL3X и CATVX можно прокладывать только в несгораемой оболочке, выступать из которой они могут не более чем на 10 футов (305 см).

3. Другие вредные факторы при пожаре

3.1 Выделение дыма

Дым, выделяемый горящими кабелями, приводит к существенному ограничению видимости (коэффициент светопропускания падает на 90 и более процентов) и оказывает удушающее действие. Эти два фактора существенно затрудняют эвакуацию людей из горящего здания и борьбу с огнем. Поэтому уровень выделения дыма при воздействии пламени на кабельные изделия контролируется достаточно жестко и регламентируется рядом стандартов:

* в Соединенных Штатах и Канаде -- определениями NEC, статьи 725, 760, 770, 800 и 820;

* в Европе -- требованиями IEC 1034 Международного электротехнического комитета и HD 606.2 S1 Европейского комитета по стандартизации электротехники CENELEC.

Сам процесс тестирования производится фотометрическим методом в испытательной камере размером 3х3х3 м3 (отсюда название «кубический тест»). Источником теплоты служит 1 литр спиртовой смеси (90% этанола, 4% метанола и 6% воды), равномерность распределения дыма, образующегося при сгорании, обеспечивается применением вентилятора. В качестве меры выделяемого дыма служит изменение коэффициента светопропускания, или оптической абсорбции, регистрируемое световым затвором, который установлен в камере испытательного стенда. Кроме сопротивляемости горению и распространению пламени в этом тесте замеряется пиковое и общее количество выделяемого дыма, а также изменение коэффициента светопропускания во времени.

Результаты экспериментальных исследований показывают, что фтор-полимеры и малодымные компаунды в отличие от поливинилхлорида создают дым белого цвета, который вызывает падение коэффициента светопропускания не более чем на 10-15%.

Отметим, что, согласно требованиям статей NEC, в plenum-полостях можно прокладывать только plenum-кабель, выдержавший испытания тестом UL 910.

3.2 Токсичные галогенсодержащие газы

Выделяемые при горении кабелей летучие галогенсодержащие газы оказывают на людей и животных отравляющее и удушающее действие. При соединении этих газов с влагой образуются очень агрессивные кислоты, которые выводят из строя электронное оборудование и даже могут повредить конструкции здания.

Статистика показывает, что 90-95% смертельных случаев при пожарах вызывается отравлениями людей окисью углерода. Каких-либо достоверных сведений об отравлениях галогенсодержащими составами к середине 90-х годов, по крайней мере в Западной Европе, зарегистрировано не было. Поэтому существующими нормативными документами токсичность продуктов горения не нормируется, хотя в настоящее время разработка документа, регламентирующего этот параметр, проводится IEC.

Стандарты достаточно жестко нормируют уровень галогенсодержащих веществ в газообразных продуктах горения с целью минимизации их коррозионного действия. Основным нормативным документом в этой области является стандарт IEC 754, часть 2. Кабели, которые удовлетворяют его требованиям, обычно называют безгалогенными (zero halogen).

Схема эксперимента по проверке уровня галогенидов достаточно проста. Образец кабеля полностью сжигается в герметичной испытательной камере. Газообразные продукты горения откачивают из нее и прокачивают через водяной затвор. В процессе дальнейшего анализа традиционными химическими методами контролируется параметр рН проб

Рисунок 2 - Установка для тестирования кабелей ограниченного применения

воды из затвора и проводимость образца. В том случае, если величина рН не превышает 4,3, а электрическая проводимость не поднимается выше 10 мксм/мм, то считается, что контролируемый кабель не оказывает при сгорании коррозионного действия.

Полному исключению галогенсодержащих конструкций из широкого применения препятствует относительно низкая сопротивляемость горению и более высокая стоимость материалов без содержания галогенов. Последнее обусловлено как повышенной стоимостью исходного сырья, так и необходимостью применения специальных экструдеров для наложения оболочек. Немаловажное значение имеют также несколько худшие прочностные характеристики и, как следствие этого, худшие массогабарит-ные показатели кабелей с низким содержанием галогенидов.

3.3 Пожарная нагрузка

Под пожарной нагрузкой понимается количество энергии, выделяемое при сгорании единицы длины кабеля. Фактически является количественной мерой сопротивляемости кабелей дальнейшему распространению пламени. Величина этого параметра, который измеряется в МДж/м или в кВт х ч/м, существенно зависит от типа материалов, применяемых для изготовления кабеля. Авторам данной работы известен только один национальный нормативный документ, задающий величину пожарной нагрузки. Согласно норме Союза немецких электротехников DIN VDE 0108, часть 1 (октябрь 1988 года), кабели, предназначенные для прокладки в вертикальных стояках, в оболочках которых не используются галогенсодержашие материалы, должны иметь значение параметра пожарной нагрузки не свыше 14 кВт ч/м. Для кабелей, в конструкции которых применяются галогенсодержащие материалы, например, поливинилхлорид, это значение не должно превышать 7 кВт х ч/м.

4. Экспериментальное тестирование кабельных изделий

4.1 Тестирование по ГОСТ и IEC

Нормами IEC и ГОСТ 12176-89 предусматривается два вида тестирования противопожарных характеристик кабельной продукции. При выполнении теста IEC 332.1 проверяется вертикально висящий кабель длиной 600±25 мм, на который воздействует пламя одной или двух газовых горелок Бунзена с внутренним диаметром отверстия сопла 9 мм. Продолжи-тельность тестирования по IEC 332.1 составляет 60 с. В момент завершения тестирования повреждения от действия пламени не должны достигать верхнего конца кабеля, а горение полимерных материалов его конструкции должно прекратиться после прекращения подачи газа к горелке.

Более жесткой является проверка по тесту IEC 332.3. В этом случае проверяется вертикально висящий пучок кабелей длиной 3500±50 мм. Пучок шириной не более 300 мм крепится с помощью проволоки по центру держателя в виде вертикальной лестницы с девятью перекладинами. Источником пламени служит пропановая горелка ленточного типа с теплотворной способностью 1,23 МДж/мин, продолжительность тестирования увеличена до 20 или 40 мин, в зависимости от категории испытуемого образца. Кабели считаются выдержавшими тест, если высота поврежденного пламенем участка не превышает 3 м (по IEC 332.3) или 2,5 м (по ГОСТ 12176-89). Оба упомянутых выше нормативных документа регламентируют конструкцию испытательных камер, правила подготовки образцов и применяемого в процессе тестирования оборудования.

4.2 Тестирование по нормам UL

Испытания конструкций ограниченного применения выполняются в соответствии с нормами теста UL VW-1 и проводятся на испытательной установке по схеме (рис. 1). Пламя создается горелкой Торилла (Тоrill), которая является функциональным аналогом горелки Бунзена. Тестирование состоит из нескольких циклов. Каждый цикл включает в себя 15 с воздействия пламени, после чего подача газа прекращается на 15 с или до того момента, когда провод прекращает дымиться (если это произойдет до истечения 15 с). Описанный процесс повторяется 5 раз.

Образцы считаются успешно прошедшими тест, если:

* они не дымятся более 60 с;

* сгорает не более 25% бумажного индикаторного флажка Крафта (Kraft);

* не загорается хирургический хлопок у основания горелки.

Источник зажигания является достаточно маломощным (теплотворная способность составляет менее 60 кДж/мин), образец подвергается воздействию пламени только на 75 с, и поэтому тест VW-1 позволяет эффективно оценивать противопожарные характеристики только кабелей малого диаметра.

Испытательным стендом для конструкций общего применения, который нормируется тестом Vertical Tray, служит вертикальная кабельная стойка шириной 305 мм и высотой 2,4 м (рис. 3). В качестве источника зажигания используется 10-дюймовая ленточная горелка с номинальной теплотворнойспособностью 1,27 МДж/мин. Для заправки горелки применяется смесь из одной части пропана и шести частей воздуха. Горелка располагается на уровне 61 см от пола.

В центральной секции стойки шириной 150 мм в один ряд укладываются испытуемые кабели. Расстояние между кабелями должно равняться половине их диаметра, а длина образца выбирается равной 2,4 м (8 футов). На подготовленные к испытаниям кабели действует пламя горелки, причем сопло горелки и давление подачи газа выбираются таким образом, чтобы пламя воздействовало на 22-30 см длины образцов. Горелка работает в течение 20 мин, и кабели оставляют гореть после ее выключения.

Если во время теста огонь распространился по кабелю до верхнего конца стойки, считается, что кабель не прошел испытание.

Из приведенного описания видно, что тесты Vertical Tray и IEC 332.3 практически совпадают друг с другом как по методике проведения испытаний, так и по оценке их результатов.

Одним из недостатков этого теста, вызванным требованием разноса образцов на половину диаметра кабеля, является сложность его применения к конструкциям малого диаметра. Для его устранения Канадской Ассоциацией Стандартов (CSA) разработана модификация теста, согласно которой кабели с внешним диаметром менее 13 мм должны быть сгруппированы в связки по три и более штук, с минимальным диаметром связки не менее 13 мм. Далее эти связки подвергаются тесту с такими же условиями, что и кабели в оригинальном тесте. В другой версии CSA предложила установить максимальное расстояние между кабелями равным 15 мм.

Испытательный стенд для тестирования конструкций типа Riser, имитирующий условия прокладки в вертикальных стояках, изображен на рис. 4 и реализует условия проверки, предусмотренные тестом UL-1666.

Рисунок 4 - Испытательная камера для тестирования конструкций типа Riser

Пропановая горелка имеет теплотворную способность 8,7 МДж/мин, продолжительность тестирования составляет 30 мин. Кабель считается выдержавшим тест, если высота выгоревших участков изоляционных покровов не превышает 3,7 м. При нормальной высоте потолка офисного здания 4 м это означает, что конструкция типа Riser блокирует распространение пламени между этажами через кабельные стояки.

Тестирование конструкций типа plenum осуществляется в так называемом 25-футовом туннеле Штайнера (Steiner) (рис. 5), который представляет собой достаточно близкую к действительности модель plenum-полости и позволяет провести комплексное тестирование кабеля по ряду противо-

Рисунок 5 - Туннель Штайнера

пожарных характеристик. Одиночный кабель или пучок кабелей длиной 7,3 м укладывается в один слой на поверхность стола в туннеле, источником пламени служат две метановые горелки с общей теплотворной способностью 5,3 МДж/мин, скорость потока воздуха в туннеле поддерживается на уровне 80 м/мин. Продолжительность тестирования составляет 10 мин. Распространение огня по кабелю можно визуально контролировать через окошки в кожухе, расположенные на расстоянии 30 см друг от друга. Уровень дыма, выделяемый при горении изоляционных покровов, фиксируется датчиками в дымоотводной трубе.

Тестируемая конструкция может быть отнесена к категории plenum в том случае, если длина выгоревшего участка не превышает 1,5 м от конца 140-сантиметрового языка пламени горелки. Жесткость теста дополнительно увеличивается за счет того, что стенки туннеля не позволяют рассеиваться теплоте сгоревшего газа и она воздействует на всю длину испытуемого образца. Экспериментально установлено, что данный тест выдерживают только те кабели, при конструировании которых учитывались действующие нормы пожарной безопасности.

Дополнительно отметим, что наиболее жесткой считается проверка в исследовательской лаборатории в Кардингтоне (Великобритания) на так называемой Fire Research Station. Экспериментальная установка представляет собой помещение размером 7,4 х 5,7 м высотой 4 м с подвесным потолком высотой 1 м. Тестируемый кабель укладывается на столе в полости, источником теплоты служит горелка с номинальной теплотворной способностью 60 МДж/мин, продолжительность тестирования составляет 30 мин.

По результатам тестирования наилучшие характеристики показывают кабели с оболочками из фтористых полимеров типа тефлона, который в сочетании с минимальным распространением пламени дает также существенно меньшее выделение дыма и концентрацию окиси углерода. Тлеющие оболочки из малодымных безгалогеновых компаундов создают вне зоны действия горелки температуру свыше 800°С, тогда как температура от фтористого полимера не превышает 335°С. Кроме того, капающий с кабеля горящий компаунд является потенциальным источником вторичных очагов возгорания.

Размещено на Allbest.ru